### مروری بر گذشته
بر اساس آژانس بینالمللی انرژی، صنعت آهن و فولاد با مصرف بالای انرژی فسیلی، حدود ۶.۷٪ از تولید جهانی CO₂ را به خود اختصاص میدهد [۱۴]. استاندارد مصرف انرژی در صنعت فولاد ایران ۵۹۴ کیلوواتساعت بر تن است. همچنین حدود ۲.۸ متر مکعب آب به ازای هر تن فولاد تولید شده در کورههای قوس الکتریکی مصرف میشود. کانانی و همکاران [۱۵،۱۶] یک مدل عددی-تجربی برای محاسبه انتقال حرارت در کورههای قوس الکتریکی ارائه کردند. برای درک بهتر فرآیند تولید آهن در کورههای قوس الکتریکی، آنها یک مدل تابشی توسعه دادند تا بررسی کنند که این انرژی چگونه در داخل کوره توزیع میشود [۱۷]. با استفاده از اطلاعات تجربی بهدستآمده از شرکت فولاد خوزستان درباره ولتاژ، جریان و توان واقعی کوره، آنها انرژی تابشی منتشر شده از قوس را بهدست آوردند. سپس با استفاده از شرایط مرزی مناسب، از مدل سطح به سطح برای حل معادلات گسستهسازی شده تابش استفاده کردند.
با اندازهگیری دادههای مربوط به دبی جرمی و دمای آب در ورودی و خروجی پانلها، سهم انرژی در پانلهای خنککننده آب دیواره و درب کوره و پس از مدلسازی دمای این سطوح، آنها به نتایجی دست یافتند. امیر کاوی و همکاران [۱۸] با تحقیق در واحد فولادسازی شرکت فولاد مبارکه به شناسایی عوامل صرفهجویی انرژی و کاهش سرباره FeO در کورههای قوس الکتریکی پرداختند، از جمله کنترل بهینه تزریق اکسیژن و آهک، کنترل نرخ شارژ مواد و توقف کار با ذوب کربن بالا. چن و همکاران [۱۹] از یک مدل دینامیک و مدل TIMES EFOM-Markal (مدل یکپارچه برای تحلیل انتشارات بخش فولاد چین استفاده کردند.)
این مدل، که یکی از مدلهای اصلی تحلیل انرژی در بخش صنعتی است، برای تحلیل تقاضای فولاد، عرضه انرژی و انتشار گازهای گلخانهای (CO₂) این بخش از سال ۲۰۱۰ تا ۲۰۵۰ استفاده شده است. این مدل نشان میدهد که تولید فولاد چین از ۶۲۷ میلیون تن در سال ۲۰۱۰ به ۷۷۲ میلیون تن در سال ۲۰۲۰ و سپس به ۵۲۷ میلیون تن در سال ۲۰۵۰ خواهد رسید. سهم تولید فولاد قوس الکتریکی (EAF) نیز به طور قابل توجهی از ۹.۸٪ در سال ۲۰۱۰ به ۴۵.۶٪ در سال ۲۰۵۰ افزایش خواهد یافت. در این مدل، با استفاده از فناوریهای ککسازی خشک و تجهیزات بازیابی حرارت خروجی، انتشار کربن و مصرف آب و انرژی در دوره مدلسازی کاهش یافته است. نتایج این تحقیق نشان میدهد که تکامل ساختار فناوری تأثیر زیادی بر کاهش مصرف منابع و کاهش انتشارات خواهد داشت. از جمله مواردی که باعث افزایش مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی میشود، توقف کوره به دلایل مختلف از جمله مشکلات تعمیراتی است که منجر به افت شدید دمای ذوب میشود و مشکلات تعمیراتی میتواند ناشی از نشت از پانل کوره قوس الکتریکی باشد. برای این منظور، حاجیداوالو و همکاران [۲۰] انتقال حرارت در زانویی کوره قوس الکتریکی را با استفاده از نرمافزار ANSYS FLUENT شبیهسازی کردند. نتایج این شبیهسازی نشان میدهد که بالاترین دما در ناحیه ورودی خمها در بخش زانویی است.
هنینگ و همکاران [۲۱] سیستم خنککننده آب یک کوره قوس الکتریکی را با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی ارزیابی و شبیهسازی کردند. آنها توزیع دما و جریان سیال در سیستمهای مختلف خنککننده آب کوره قوس الکتریکی را با استفاده از نرمافزار دینامیک سیالات STAR-CCM+ بهدست آوردند. در این شبیهسازی، با اعشار شار حرارتی ثابت به هر پانل، نقاطی که دمای بالایی داشتند شناسایی شدند. آنها دمای بالای این نقاط خاص را به دلیل رکود یا معکوس شدن جریان سیال در آنها نسبت دادند. تاورس و همکاران [۲۲] خرابی لولههای فولادی ناشی از خزش و سایش را بررسی کردند. لولههای مورد مطالعه مربوط به پانلهای سیستم مکش دود هستند. نتایج این مطالعه، که با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نوری انجام شد، نشان میدهد که کاهش ضخامت موضعی دیواره لولهها به دلیل سایش و خستگی ناشی از سایش ذرات اکسید خارج شده از کوره است. آنها پیشنهاد کردند که از فولاد کروم-مولیبدن به دلیل مقاومت بیشتر در برابر خزش، اکسیداسیون و سایش استفاده شود زیرا لولههای ردیف اول سیستم دود در معرض حرارت شدیدتر قرار دارند و در شرایط بحرانیتری هستند.
وازدیروانیدیس و همکاران [۲۳] خرابیهای ناشی از گرمای بیش از حد در لولههای فولادی سیستمهای خنککننده کوره قوس الکتریکی را بررسی کردند. بازرسی چشمی، استفاده از میکروسکوپ نوری و آزمایش سختی از روشهای اصلی بررسی در این مقاله هستند. در این مطالعه نشان داده شده است که دکربوریزاسیون و تضعیف سطح لولههای سیستم خنککننده کوره میتواند به دلیل قرار گرفتن طولانیمدت در معرض شرایط حرارتی و اکسیداسیون داخل لولهها و همچنین تنشهای کششی و خستگی حرارتی باشد. استفاده از آلیاژ مقاومتر در برابر حرارت و آب کافی برای انتقال حرارت به دیواره لوله، و همچنین پایین آوردن الکترودهای گرافیتی در سرباره برای انتقال بهتر حرارت به حمام مذاب و کاهش حرارت رسیده به دیواره کوره به عنوان راهحل پیشنهاد شده است.
خدابنده و همکاران [۲۴] انتقال حرارت در کورههای قوس الکتریکی و سیستم خنککننده آنها را بررسی کردند. پس از مدلسازی کوره قوس الکتریکی با استفاده از نرمافزار ANSYS FLUENT، توزیع دما در سیستم خنککننده کوره بهدست آمد. همانطور که قبلاً در چرخه ORC ذکر شد، گامهای زیادی برای کاهش اتلاف حرارت برداشته شده است، از جمله استفاده از چرخه رانکین آلی برای استفاده مجدد از حرارت نسبتاً کم اتلاف شده برای تولید برق. چرخه رانکین آلی نوعی چرخه رانکین است که در آن سیال عامل اصلاح شده و از سیال عامل آلی با وزن مولکولی بالا استفاده میشود. چرخه رانکین آلی به دلیل بازده بالا و قابلیت اطمینان و همچنین نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری در مقایسه با سایر چرخهها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. کاربردهای آن شامل کاربرد در نیروگاههای با منبع حرارتی زمینگرمایی، انرژی خورشیدی، انرژی زیستتوده و حرارت اتلافی است.
بنابراین، رامیرز و همکاران [۲۵] عملکرد واحد ORC در کارخانه نورد گرم ورقهای فلزی برای استفاده در صنایع خودرو و مکانیک در برشیا، ایتالیا را ارزیابی کردند که نشان میدهد بازده کارخانه ORC ۲۱.۷٪ است. گاجیک و همکاران [۲۶] مصرف برق در یک کوره قوس الکتریکی را با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی بررسی کردند. با مطالعه کورههای قوس الکتریکی در ایتالیا، آنها تأثیر تغییرات عناصر زنگزده فولاد را برای ارزیابی مصرف برق مقایسه کردند که نشان میدهد بیشترین تأثیر بر مصرف برق درصد کربن است. سانجو و همکاران [۲۷] با بررسی تغییرات پارامترهای مؤثر بر مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی، تزریق اکسیژن و مقدار کربن و درجه متالیزاسیون آهن اسفنجی ، بیشترین تأثیر بر مصرف انرژی و همچنین افزایش دمای ذوب و افزایش زمان POWER ON ایجاد میشود و وضعیت سرباره نیز تحت تأثیر قرار میگیرد. در مطالعه کونگ و همکاران [۲۸] استفاده از محصولات جانبی همراه با فرآیند ذکر شده است که مصرف انرژی سیستم را کاهش میدهد. در این تحقیق، تخصیص بهینه برای گازهای مازاد با استفاده از روش MILP بررسی شده است.
### شرایط انتخاب محل مناسب برای ساخت صنعت فولاد
یکی از عوامل مؤثر در تأسیس شرکتها، انتخاب محل کارخانه است [۲۹]. انتخاب محل کارخانه به عواملی مانند کارگران ماهر، توسعه تسهیلات، دسترسی به مواد، هزینههای سرمایهگذاری، آب و هوا، نزدیکی به بازار، کیفیت زندگی، ملاحظات اجتماعی و ارتباطات بستگی دارد. تصمیمگیری و مکانیابی کارخانه نقش مهمی در عملکرد شرکت و بقای شرکت در صنعت دارد. همچنین تأثیر مهمی بر حداقلسازی هزینهها و حداکثرسازی استفاده از منابع دارد. نزدیکی به بازار هزینههای حمل و نقل و زمان تحویل به مشتری را کاهش میدهد. از سوی دیگر، وجود نیروی کار ماهر در اطراف محل کارخانه، تولید محصولات با کیفیت را تسریع میکند و همچنین هزینه و زمان آموزش کارکنان و ضایعات محصولات به دلیل ناکارآمدی کارکنان را کاهش میدهد. این عامل نقش مؤثری در تعیین محل کارخانه دارد به طوری که با کاهش هزینههای سرمایهگذاری، مناطق محروم نیز رونق مییابند. عوامل دیگری مانند دسترسی به مواد خام و تأمینکنندگان و آب و هوا و غیره نیز باید در نظر گرفته شوند که تعیین مهمترین عوامل مؤثر بر انتخاب محل کارخانه تصمیمگیری را تسریع میکند. عوامل مؤثر بر تصمیمگیری مربوط به مکانیابی یک کارخانه تولیدی را میتوان به شش گروه اصلی تقسیم کرد. این عوامل به ترتیب اهمیت عبارتند از ]۳۰[
شرایط نیروی کار
مهمترین عامل برای شرکتهای تولیدی مانند کارخانههای نساجی، لوازم خانگی و تجهیزات الکترونیکی که به شدت به نیروی کار وابسته هستند و به عبارت دیگر نیروی کار محور هستند، عامل شرایط نیروی کار است. این شرایط میتواند شامل چیزهایی مانند پیشنیازهای یادگیری شغل، انگیزهدهی به نیروی کار، بهرهوری کارکنان و اتحادیههای کارگری باشد. بسیاری از مدیران ترجیح میدهند با اتحادیههای ضعیفتر و کمتر سازمانیافته سروکار داشته باشند تا تأثیر مستقیمتری بر نیروی کار داشته باشند. از سوی دیگر، مسئله عرضه نیروی کار، هم از نظر تعداد و هم از نظر سطح مهارت برای شرکتهای محلی و بینالمللی، یکی از مسائل کلیدی است. نیاز به نیروی کار ماهر برای برخی صنایع معمولاً پرهزینه است و منجر به مشکلات مدیریتی خاصی میشود. رابطه بین مدیریت نیروی کار و بهرهوری یکی از عواملی است که مطالعات زیادی روی آن انجام شده و باید در نظر گرفته شود. همچنین، الگوهای دستمزد رایج در منطقه، هزینه زندگی، رابطه بین صنایع مختلف و قدرت اتحادیههای کارگری از دیگر عوامل مؤثر بر مکانیابی کارخانه هستند]۳۱[
نزدیکی به بازار:
هر شرکتی تلاش میکند خدمات و کالاهای خود را به مشتریان خود در زمان مناسب و با قیمت قابل قبول و معقول ارائه دهد [۳۲]. هنگامی که مشتریان و خریداران کالاها از نظر مکان متمرکز هستند، توصیه میشود که کارخانه و تجهیزات آن نزدیک به بازار قرار گیرند، از جمله محصولات کارخانه که مستعد خرابی و فساد هستند، محصولات نیاز به خدمات پس از فروش دارند، هزینه حمل و نقل بسیار بالا است، عمر محصول کوتاه است. پس از تعیین بازارهای هدف و مکانهایی که تقاضا برای کالاها و خدمات شرکت به میزان مطلوب وجود دارد، مدیریت باید بهترین مکان را برای کارخانه انتخاب کند به طوری که بتواند نیازهای خود و مشتریانش را به بهترین نحو برآورده کند. نزدیکی به بازار زمانی اهمیت بیشتری پیدا میکند که محصولات نهایی کارخانه حجیم، سنگین و دارای هزینه حمل و نقل بالا باشند. به عنوان مثال، تولیدکنندگان لولههای پلاستیکی و فولادی باید سعی کنند نزدیک به بازار باقی بمانند ]۳۳[
سطح کیفیت زندگی:
مدارس خوب، فضاهای تفریحی و فرهنگی مناسب و یک سبک زندگی خوب به طور کلی از عوامل افزایش کیفیت زندگی هستند. این عوامل ممکن است به نظر نرسد که در تصمیمگیری برای مکانیابی کارخانه در نظر گرفته شوند، اما در درازمدت میتوانند بر بهرهوری کارکنان کارخانه تأثیر بگذارند ]۳۴[
نزدیکی به منابع و تأمینکنندگان
امروزه بسیاری از شرکتها و کارخانهها بخش عمدهای از قطعات یا خدمات مورد نیاز خود را تأمین نمیکنند، بلکه آنها را از شرکتهای دیگر تهیه میکنند. تصمیم برای تولید یک قطعه توسط خود کارخانه یا تأمین آن از خارج سازمان به عوامل زیادی بستگی دارد. اگر تصمیم بر این باشد که یک قطعه یا خدمت از خارج سازمان تأمین شود، شرکت باید بتواند ارتباط خود را با تأمینکنندگان حفظ کند تا هماهنگی بیشتری داشته باشد و این موضوع با افزایش فاصله جغرافیایی دشوارتر میشود ]۳۵[
هزینههای عمومی مالیات و هزینههای دولتی و محلی
از دیگر عوامل مهم در مکانیابی شرکتهای تولیدی میتوان به هزینههای عمومی (تلفن، برق، آب و فاضلاب)، مالیاتهای محلی و منطقهای، هزینههای دولتی و بانکی رایج و هزینههای خرید زمین اشاره کرد ]۳۶[
شرایط آب و هوایی
شرایط جغرافیایی و اقلیمی منطقه، مانند رطوبت و دما، باید برای مکانیابی ارزیابی شوند. شرایط اقلیمی تأثیر زیادی بر بهرهوری نیروی کار و رفتار انسان دارد. همچنین، برخی صنایع به شرایط آب و هوایی خاصی نیاز دارند، به عنوان مثال، صنعت نساجی باید در مناطقی باشد که از نظر رطوبت مناسب هستند ]۳۷[
زیرساختهای ارتباطی و خدمات عمومی
تمام فعالیتهای تولیدی نیاز به دسترسی به زیربخش ارتباطات و خدمات عمومی دارند که این هزینه را به طور معقولی تأمین میکند اگر منبعی از سرمایه عمومی مانند جادهها، راهآهن، بنادر، خطوط برق، خدمات شهری و سرمایه اجتماعی مانند مدارس، دانشگاهها و بیمارستانها ایجاد شود ]۳۸[
دسترسی به مواد خام
هر سازمانی نیاز دارد تا به منابع باکیفیت مواد خام در زمان مناسب دسترسی داشته باشد تا از توقف خط تولید جلوگیری شود. این عامل زمانی اهمیت بیشتری پیدا میکند که مواد و منابع مورد نیاز فاسدشدنی باشند و هزینه حمل و نقل آنها بالا باشد، به ویژه زمانی که مواد خام حساس و ظریف یا منبع متمرکز استفاده میشود]۳۹[
تولید با کیفیت بالا و مصرف کم انرژی هدف هر شرکت فولادی است. یکی از مهمترین عوامل ایجاد مزیت رقابتی در صنعت فولاد کشور، مکانیابی مناسب واحدهای فولادی است [۴۰]. اگر مکانیابی مجتمعهای صنعتی، به ویژه در حوزه فولاد، بر اساس دسترسی به آب و انرژی فراوان برای تأمین آب و انرژی مورد نیاز تولید و تسهیل حمل و نقل باشد، به طور طبیعی باید انتظار رشد واحدهای فولادی، کاهش هزینهها و در نتیجه افزایش مزیت رقابتی در بلندمدت را داشته باشیم ]۴۱[
تولید فولاد
مرحله اول تولید فولاد، فرآوری مواد خام آن، یعنی سنگ آهن است. سنگ آهن ترکیبی از اکسیدهای آهن و ناخالصیهای فلزی مانند گوگرد، فسفر، سیلیس و … است. ابتدا سنگ آهن خرد شده و ناخالصیهای فلزی در طی فرآیندهای خاصی از آن جدا میشوند. سپس، در فرآیند گندلهسازی، سنگ آهن (به عنوان ترکیبی از اکسیدهای آهن) به گندله تبدیل میشود و پس از پخت، محصولی به نام گندله تولید میکند. گندله تولید شده در فرآیند کاهش مستقیم در طی واکنش با کربن، آهن خالص تولید میکند. از آنجا که گندله در این فرآیند اکسیژن خود را از دست میدهد، ترکیب حاصل دارای حالت متخلخلی مانند اسفنج است. به همین دلیل به آن آهن اسفنجی گفته میشود. آهن اسفنجی در مخازن خاصی ذخیره و نگهداری میشود تا به تدریج به عنوان ماده خام برای تولید فولاد در مراحل بعدی استفاده شود ]۴۲[
مرحله دوم تولید فولاد، تبدیل آهن به فولاد مذاب است. ورودی این فرآیند آهن اسفنجی است. نوع و درجه فولاد و خواص شیمیایی آن در این مرحله ایجاد میشود. در اینجا، آهن اسفنجی و آهن قراضه به نسبتهای مشخصی در کورههای قوس الکتریکی به فولاد مذاب تبدیل میشوند. پس از سربارهگیری از مذاب، با توجه به کیفیت مورد انتظار، افزودنیهای لازم به نسبتهای مشخص به فولاد مذاب اضافه میشوند و با دمیدن گاز، به طور یکنواخت در حجم مذاب توزیع و با آن مخلوط میشوند ]۴۳[
پس از این مرحله، فولاد مذاب به داخل پاتیلها تخلیه و برای عملیات ثانویه ارسال میشود. در نهایت، بر اساس نمونههای آزمایشگاهی گرفته شده از فولاد، عملیات پالایش مذاب انجام میشود و فولاد مذاب برای ریختهگری آماده است. دمای فولاد مذاب برای ریختهگری حدود ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد و حداقل دمای مجاز ۱۵۸۰ درجه است. بنابراین، پس از اتمام عملیات، مذاب باید بلافاصله برای ریختهگری ارسال شود. اگر به دلیل تأخیر یا هر مشکل دیگری امکان ریختهگری مذاب وجود نداشته باشد، دمای مذاب داخل پاتیل توسط کورههای پاتیل در محدوده قابل قبول نگه داشته میشود. با این حال، این تأخیر در ریختهگری هزینه بالایی دارد. در این مرحله، مذاب تولید شده در فرآیند فولادسازی در ماشینهای ریختهگری مداوم به شمش یا اسلب تبدیل میشود. ماشینهای ریختهگری مداوم نیمهقوسی هستند. پاتیل مذاب بر روی برج ریختهگری قرار میگیرد]۴۴[
برج ریختهگری میتواند دو پاتیل را نگه دارد، یکی در موقعیت ریختهگری و دیگری در موقعیت آمادهباش. مذاب از طریق یک گذرگاه خاص که زیر پاتیل نصب شده است، وارد پاتیل میانی میشود. تاندیش، به عنوان یک ظرف میانی، همیشه مقداری از مذاب را در ذخیره نگه میدارد تا تداوم و یکنواختی جریان مذاب در قالبهای ماشین ریختهگری هنگام تعویض پاتیل مذاب قطع نشود. برای تسریع عملیات ریختهگری، بیشتر ماشینهای ریختهگری دو مسیر برای ریختهگری دارند و مذاب باید از طریق دو گذرگاه جداگانه وارد قالبهای ماشین ریختهگری شود. تاندیش دو خروجی دارد که مذاب داخل پاتیل را به قالبهای ماشین ریختهگری هدایت میکند. ذوب ها می توانند دنبال یکدیگر (سکوئنس) با یک تاندیش ریخته گری شوند.
حداکثر تعداد این مذابها با توجه به ماشین ریختهگری و کیفیت مذاب متفاوت است. مذابهای موجود در یک سکوئنس ریختهگری باید از کیفیت یکسانی برخوردار باشند. پس از تخلیه به داخل قالب، مذاب توسط جریان آب اطراف قالب خنک میشود و شکل قالب را به خود میگیرد و به تدریج در مسیر نیمهقوسی حرکت کرده و به آرامی خنک میشود تا یک نوار بلند با مقطع مستطیلی از ماشین ریختهگری خارج شود. در انتهای خط ریختهگری، این نوار به طولهای مشخصی به صورت عرضی بریده میشود و در نهایت، شمش فولادی تولید میشود ]۴۵[
انرژی مورد نیاز صنعت فولاد
صنعت فولاد یکی از پرانرژیترین صنایع جهان است و از آنجا که منبع اصلی مصرف انرژی در جهان امروز نفت و فرآوردههای نفتی است، چندین واحد تولید فولاد در کشور ما در حال ساخت و بهرهبرداری هستند. در حال حاضر، سرانه مصرف انرژی برای تولید یک تن فولاد در ایران بیشتر از آلمان و ژاپن است [۴۶]. شکل ۶ انرژی ورودی برای تولید فولاد در طول یک سال برای کشورهای مختلف جهان را نشان میدهد. کشورهای مختلف توزیع انرژی متفاوتی در روش تولید فولاد دارند، به طوری که به عنوان مثال، ۹۴.۱ درصد از تولید فولاد چین از طریق انرژی سوخت فسیلی مانند زغال سنگ و روش کوره بلند است، در حالی که در ایالات متحده ۶۲.۷ درصد از طریق کورههای قوس الکتریکی و ۵۳.۹۸ درصد از طریق مصرف گاز طبیعی انجام میشود ]۴۷[
شکل ۶: انرژی استفاده شده برای تولید فولاد در کشورهای مختلف ]۴۷[
اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده پیشبینی میکند که مصرف انرژی در صنعت فولاد جهان بین سالهای ۲۰۱۵ تا ۲۰۴۰ به میزان ۱۱ درصد رشد خواهد کرد، به دلیل افزایش تعداد واحدهای تولید فولاد در جهان و افزایش حجم تولید. با این حال، به دلیل پیشرفت فناوری و استفاده از تجهیزات کممصرفتر نسبت به تجهیزات فعلی و جایگزینی گاز طبیعی و برق با نفت و فرآوردههای نفتی به عنوان سوخت و منابع انرژی برای تجهیزات صنعت فولاد، مصرف انرژی در این صنعت با کاهش ۲۷ درصدی همراه خواهد بود که ۹ درصد بیشتر از میانگین کاهش شدت انرژی در بخش صنعت است. شدت مصرف انرژی در بخش صنعت جهان بین سالهای ۲۰۱۵ تا ۲۰۴۰ به میزان ۱۸ درصد کاهش خواهد یافت.
کاهش شدت انرژی به معنای افزایش بازده انرژی در این صنعت یا کاهش مصرف انرژی برای تولید هر واحد فولاد است که با کاهش انتشار آلایندهها همراه خواهد بود. اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده پیشرفتهای فنی و تولید تجهیزات صرفهجویی در انرژی را به عنوان یکی از دلایل افزایش بازده انرژی در صنعت فولاد ذکر کرده است، اما همچنین دلیل مهم دیگری که تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته است را نیز بیان کرده است. بر اساس این مطالعه، تغییر الگوی تولید فولاد دلیل مهمی برای افزایش بازده انرژی در این صنعت است. در سالهای گذشته، فولاد از مواد خام مانند سنگ آهن و کک و غیره تولید میشد، اما در سالهای اخیر، بیشتر فولاد از قراضه فولادی بازیافت میشود، فرآیندی که به انرژی کمتری نسبت به تولید فولاد خام نیاز دارد. از سوی دیگر، تولید ثانویه فولاد یا تولید فولاد از قراضه فولادی فرآیندی است که با کمک کورههای الکتریکی انجام میشود و مصرف انرژی در این کورهها کمتر است. این صنعت کوچک شده است. صنعت فولاد به دلیل قابلیت بازیافت بالای آن یکی از ارزشمندترین و مهمترین صنایع برای اقتصاد جهانی امروز است، زیرا محصولات آن به طور کامل بازیافت میشوند و این موضوع برای اقتصاد جهانی بسیار مهم است ]۴۸[
برای تولید هر تن فولاد، محصولی نیاز به تأمین برق، حدود ۶۵۰ تا ۷۵۰ متر مکعب گاز طبیعی، بدون در نظر گرفتن فرآوری مواد خام و جابجایی، و با توجه به ضریب نیروگاه است. این مقدار حدود ۷ برابر انرژی مورد نیاز برای تولید سیمان است. با توجه به قیمت محصولات فولادی حدود ۵۰۰ دلار در هر تن و هزینه انرژی بینالمللی ۲۰ سنت (متوسط مصرف برق و گاز)، در حال حاضر حدود ۳۰ درصد از قیمت فروش فولاد هزینه مصرف انرژی است. بنابراین، سطح توسعه در صنعت فولاد و مصرف آهن و فولاد به عنوان معیاری برای قضاوت در مورد میزان صنعت در کشورها و همچنین سطح توسعه کشورها استفاده میشود. همانطور که در شکلهای ۷ و ۸ نشان داده شده است، صنعت فولاد بیش از ۲۲ درصد از کل مصرف انرژی صنعتی را به خود اختصاص میدهد و آسیا مهمترین بازیگر در این بازار است ]۴۹[
شکل ۷: سهم مصرف انرژی در بخش صنعت بر اساس نوع صنعت در سال ۲۰۱۶.
شکل ۸: سهم بالای آسیا از تولید فولاد خام بر اساس دادههای سال ۲۰۱۹.
مصرف انرژی ویژه در فرآیند تولید آهن و فولاد (SEC) [۵۰]
مصرف انرژی ویژه در فرآیند تولید آهن و فولاد، نسبت مصرف انرژی به تولید آهن و فولاد است. واحد مصرف انرژی ویژه در این فرآیند، انرژی الکتریکی ویژه بر حسب کیلوواتساعت بر تن (تن/کیلوواتساعت) و انرژی حرارتی (سوختهای فسیلی) بر حسب گیگاژول بر تن (GJ/تن) است. جدول ۱ میزان مصرف انرژی الکتریکی/حرارتی به ازای هر واحد تولید را بیان میکند
جدول ۱: معیارهای مصرف انرژی حرارتی و الکتریکی فرآیند کوره قوس الکتریکی ]۳۵[
نحوه محاسبه مصرف انرژی حرارتی ویژه
مصرف انرژی حرارتی ویژه تولید در واحدهای مختلف کارخانه فولاد با تقسیم مصرف انرژی حرارتی آن واحد در یک دوره مشخص بر مقدار تولید همان واحد در همان دوره محاسبه میشود ]۳۵[
مقدار مصرف انرژی حرارتی ویژه بر حسب گیگاژول بر تن محصول یا متر مکعب (گاز طبیعی) به ازای هر تن محصول تولید شده بیان میشود ]۳۵[
نحوه محاسبه مصرف انرژی الکتریکی ویژه
مصرف انرژی الکتریکی ویژه تولید آهن و فولاد در واحدهای مختلف با تقسیم مصرف انرژی الکتریکی واحد در یک دوره مشخص بر مقدار محصول تولید شده توسط همان واحد در همان دوره محاسبه میشود ]۳۵[
معرفی فناوریهای جدید در صنعت فولاد
پیچیدگی و تغییرات مداوم محیطی، نوآوری را به مهمترین عامل در حفظ و بهبود عملکرد شرکتها تبدیل کرده است [۵۱]. صنعت فولاد یکی از صنایعی است که ارتقا و توسعه آن به طور مستقیم بر رشد اقتصادی و تولید ناخالص داخلی کشورها تأثیر میگذارد، زیرا رابطه مستقیمی بین مصرف سرانه فولاد و تولید ناخالص داخلی کشورها وجود دارد. این صنعت به دلیل ایجاد اشتغال، وابستگی زیاد صنایع پاییندستی، کاربرد در توسعه زیرساختها و امکان صادرات و نرخ ارز برای کشورها، یک کالای استراتژیک محسوب میشود و بنابراین توسعه این صنعت همواره در اهداف و اقدامات استراتژیک کشورها گنجانده شده است ]۵۲[
با صنعتی شدن کشورها و افزایش تقاضا برای مصرف انرژی، استفاده بهینه از منابع انرژی پایانپذیر بسیار مهم شده است. برای دستیابی به این هدف، استفاده از روشهای بهینهسازی و فناوریهای جدید در انتقال و تبدیل انرژی ضروری است [۵۳]. مصرف انرژی یکی از اصلیترین هزینههای تولید فولاد است که با پیشرفت فناوری و بهینهسازی روشهای تولید، مصرف انرژی کاهش یافته، تولید افزایش یافته و هزینههای سرمایهگذاری کاهش مییابد. منبع اصلی انرژی در کورههای قوس الکتریکی (EAF)، انرژی الکتریکی است، اما از ابتدای استفاده از این کورهها، همواره تلاش شده است تا از انرژی شیمیایی استفاده شود و آن را جایگزین انرژی الکتریکی کنند تا میزان مصرف برق در این کورهها به حداقل برسد. انرژی شیمیایی از طریق واکنشهای متالورژیکی مانند واکنشهای اکسیداسیون عناصر مختلف، واکنشهای احتراق ثانویه و پیشگرمایش سیستمهای ورودی آهن با استفاده از احتراق سوختهای فسیلی و سایر روشهای طراحی شده برای افزایش سهم انرژی ورودی به کار گرفته میشود [۵۴]. جدول ۲ بهبود شرایط مختلف تولید در طول ده سال را نشان میدهد.
جدول ۲: بهبود شرایط تولید فولاد در ده سال.
برخی از راههای کاهش مصرف انرژی
پیشگرمایش قراضه آهن ورودی
یکی از مهمترین پروژههای تحقیقاتی در زمینه کاهش مصرف برق کورههای قوس الکتریکی، پیشگرمایش قراضه آهن ورودی به کوره است. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است، میزان انرژی مرتبط با گازهای خروجی از کوره قوس الکتریکی حدود ۲۰٪ است، بنابراین استفاده از انرژی حرارتی گازهای خروجی به عنوان منبع عظیم انرژی برای پیشگرمایش آهن میتواند به صرفهجویی در مصرف انرژی الکتریکی در کورههای EAF کمک کند. پیشگرمایش قراضه آهن همچنین مزایای زیستمحیطی بسیاری دارد و ورود گرد و غبار به بخش فیلتراسیون (Baghouse) را تا ۳۰٪ کاهش میدهد. این فناوری تاکنون در ایران اجرا نشده است، اما به طور گستردهای به ویژه در ژاپن و اروپا، که هزینه تولید برق بالا است، مورد استفاده قرار گرفته است. پیشگرمایش قراضه معمولاً با انتقال گازهای داغ به سبد قراضه از طریق لولههایی که گازهای داغ را به هود ویژهای در بالای سبد قراضه متصل میکنند، انجام میشود.
منبع این گازهای داغ میتواند گازهای داغ خروجی از کوره یا گازهای تولید شده توسط مشعلهای گاز طبیعی باشد. پیشگرمایش قراضه با گاز طبیعی اولین بار در سال ۱۹۶۰ توسط مشعلهای نصب شده روی سقف سبد قراضه انجام شد. در این روش، قراضه بین ۵۳۸ تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد گرم میشود. گرم کردن قراضه به بیش از ۶۵۰ درجه سانتیگراد باعث اکسیداسیون قراضه میشود. مزیت این نوع پیشگرمکن در مقایسه با استفاده از گازهای داغ کوره این است که در این روش، فرآیند پیشگرمایش به عملکرد کوره وابسته نیست، در نتیجه فرآیند کنترلپذیرتر و یکنواختتر است [۵۵]. شکل ۹ نمودار دو روش پیشگرمایش قراضه برای شارژ داخل کوره قوس الکتریکی را نشان میدهد ]۵۶[
شکل ۹: دو نمونه از روشهای پیشگرمایش قراضه توسط گازهای خروجی از کوره قوس الکتریکی ]۵۶[
پیشگرمایش آهن اسفنجی (DRI)
تأثیر پیشگرمایش آهن بر بازده کورههای قوس الکتریکی با استفاده از تحلیل اگزرژی بررسی شده است. نتایج تحلیل انرژی و اگزرژی و محاسبه عبارات انرژی و اگزرژی مواد ورودی و خروجی کورههای قوس الکتریکی ۱۷۰ تنی یک واحد فولادسازی نشان میدهد که حدود ۷۳٪ از انرژی ورودی به کوره از طریق انرژی الکتریکی و حدود ۲۸٪ از طریق انرژی شیمیایی است. همچنین، انرژی خروجی مرتبط با فولاد مذاب حدود ۴۲٪ و سهم گازهای خروجی حدود ۱۸٪ بود. نتایج نشان میدهد که در بین مواد خروجی از کوره قوس الکتریکی، گازهای داغ خروجی از کوره پس از فولاد مذاب بیشترین مقدار انرژی و اگزرژی را با خود از سیستم خارج میکنند. قابل توجه است که اگزرژی تلف شده حدود ۵۰٪ بود. نتایج نشان میدهد که با افزایش دمای پیشگرمایش آهن اسفنجی و قراضه پیشگرم شده، مقدار انرژی بازیافتی افزایش مییابد. از آنجا که طبق صنعت فولاد ایران، تناژ آهن اسفنجی در کورهها بیشتر از قراضه آهن بوده است، پیشگرمایش آهن اسفنجی منجر به بازیابی بیشتر انرژی الکتریکی شده است. بازده انرژی و اگزرژی کورهها به ترتیب ۳.۱۵٪ و ۲.۲۵٪ افزایش یافتند هنگامی که آهن اسفنجی تا دمای ۷۸۰ کلوین گرم شد. نکته دیگری که میتوان با پیشگرمایش مواد ورودی به کورههای قوس الکتریکی در نظر گرفت؛ کاهش زمان ذوب است. نتایج نشان میدهد که اگر مواد ورودی تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد پیشگرم شوند، زمان ذوب ۱۳.۵٪ کاهش مییابد ]57و58[
راهحل دیگری که در این زمینه توصیه شده است، فرآیند Hotlink است. شرکتهای Essar Steel در هند و Shadeed Oman در این زمینه پیشرو هستند. در روش Hotlink، آهن اسفنجی داغ (HDRI) مستقیماً از کوره احیا به کوره قوس الکتریکی با استفاده از گرانش توسط یک دستگاه آببندی منتقل میشود. در این حالت، کوره احیاکننده در کنار دیوار کوره قوس الکتریکی نصب شده و خروجی Midrex به طور کامل داغ مستقیماً به مخزن ذخیره آهن اسفنجی در بالای کوره EAF منتقل میشود [۵۹]. البته برای مواردی که آهن اسفنجی داغ مستقیماً مصرف نمیشود، یک سیستم جداگانه موازی برای خنککردن آهن اسفنجی داغ ارائه شده است. دمای HDRI در خروجی کوره کاهش مستقیم بین ۷۰۰-۶۵۰ درجه سانتیگراد است و افت دمای حدود ۵۰ درجه سانتیگراد در طول مسیر تا کوره EAF رخ میدهد. نتایج نشان میدهد که افزایش دمای شارژ داغ منجر به صرفهجویی بیشتر در انرژی الکتریکی در کوره EAF و کاهش مصرف الکترود میشود.
این موضوع به خوبی در شکل ۱۰ نشان داده شده است. افزودن چدن مذاب به کوره قوس الکتریکی نیز مصرف انرژی در تولید فولاد را کاهش میدهد. علاوه بر گرمای تولید شده توسط چدن مذاب، گرمای تولید شده توسط اکسیداسیون سیلیسیم، منگنز و کربن نیز مصرف انرژی الکتریکی را کاهش میدهد.
شکل ۱۰: صرفهجویی در انرژی الکتریکی و مصرف الکترود با افزایش دمای اهن اسفنجی داغ ]57و58[
کاهش انتشار گازهای گلخانهای، کاهش زمان ذوب و کاهش هزینههای تولید از دیگر مزایای استفاده از شارژ HDRI در تولید فولاد است ]57و58[
مشعلهای اکسیژن-سوخت
اکسیژن تزریق شده به کوره با کربن همراه با آهن اسفنجی میسوزد و انرژی شیمیایی تولید میکند. انرژی شیمیایی تولید شده گرما ایجاد میکند و بنابراین به فرآیند ذوب آهن اسفنجی کمک کرده و میزان انرژی الکتریکی مصرفی را کاهش میدهد. اکسیژن با کربن میسوزد و گاز CO تولید میکند که سرباره کفدار ایجاد میکند. سرباره کفدار با پوشش مناسب قوس، شرایط قوس پایدارتری ایجاد میکند که منجر به انتقال بهتر انرژی از الکترود به کوره میشود و بازده انرژی را افزایش داده و تلفات انرژی الکتریکی را کاهش میدهد. مشعلهای اکسیژن-سوخت به دلیل مزایای بسیاری که در فولادسازی دارند، مورد توجه قرار گرفتهاند. استفاده از یک منبع سوخت دوم برای افزایش سرعت ذوب در کوره قوس الکتریکی با استفاده از سوخت ارزانتر منجر به صرفهجویی در هزینهها و بهبود بازده ترمودینامیکی میشود ]۶۰[
مشعلهای اکسیژن-سوخت عمدتاً برای جایگزینی برق استفاده میشوند. مهمتر این که استفاده از مشعل سرعت ذوب را افزایش داده و زمان ذوب را کاهش میدهد. استفاده از مشعل در ایجاد تعادل حرارتی مؤثر است. به عنوان مثال، در کورههای Ultra High Power، وجود مشعلهای اکسیژن-سوخت برای افزایش سرعت ذوب قراضه در قسمتهای سرد کوره و در نتیجه ذوب یکنواخت قراضه ضروری است [۶۱]. استفاده از مشعل نیاز به طراحی دقیق دارد، هم از نظر فشار و تخلیه گازهای خروجی و هم از نظر موقعیت و زاویه مشعل [۶۲]. زاویه مشعل باید به گونهای باشد که مشعل مسدود نشود. موقعیت مشعلها باید در پایینترین نقطه ممکن برای حداکثر انتقال حرارت باشد ]۶۳[
تزریق کربن به کوره
کربن نقش مهمی در تلاطم و تصفیه فلز در کورههای ذوب و تصفیه دارد [۶۴]. علاوه بر این، کربن میتواند با تأمین بخشی از مصرف انرژی، برق مورد نیاز برای عملیات ذوب در کوره را کاهش دهد. با کاهش انرژی الکتریکی، مصرف الکترودها و مواد نسوز کاهش مییابد. این موضوع تأثیراتی در کاهش هزینهها دارد [۶۵]. کربن اضافی با تولید گاز CO باعث تلاطم مذاب و در نتیجه یکنواختی دما و ترکیب میشود [۶۶]. این موضوع باعث صرفهجویی در مصرف برق و کاهش خوردگی مواد نسوز کوره میشود ]۶۷[
استفاده از اکسیژن در کورههای قوس الکتریکی که در پنجاه سال گذشته همواره در حال افزایش بوده است، که عاملی مؤثر در افزایش بازده و سرعت فرآیند این کورهها است. یکی از عوامل مؤثر در توسعه کورههای قوس الکتریکی را میتوان افزایش مصرف اکسیژن در آنها دانست. افزایش مصرف اکسیژن به روشهای مختلف در کاهش مصرف برق مؤثر بوده است. استفاده اولیه از اکسیژن با تزریق از طریق لانس و از درب سرباره انجام میشد، اما امروزه اکسیژن کاربردهای پیچیدهتری در روشهای مختلف از جمله مشعلهای اکسیژن-سوخت و احتراق ثانویه پیدا کرده است. تزریق اکسیژن همچنین با افزایش سرعت واکنشهای اکسیداسیون، زمان ذوب را کاهش میدهد. شکل ۱۱ منحنی استفاده از اکسیژن در کورههای قوس الکتریکی را نشان میدهد ]۶۸[
شکل ۱۱: منحنی افزایش مصرف اکسیژن در کورههای قوس الکتریکی.
